孫波，廖強強，劉宇，劉怡，周國定，葛紅花

(1. 上海市電力材料防護與新材料重點實驗室(上海電力學院)，上海市 200090；2.中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海市200050；3. 上海汽車集團股份有限公司，上海市 201804)

分布式光伏儲能電池混合系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

孫波1，廖強強1，劉宇2，劉怡3，周國定1，葛紅花1

(1. 上海市電力材料防護與新材料重點實驗室(上海電力學院)，上海市 200090；
2.中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海市200050；3. 上海汽車集團股份有限公司，上海市 201804)

為了提高光伏系統(tǒng)的利用率，需要研究家庭和企業(yè)用戶的分布式光伏及儲能電池混合系統(tǒng)的最優(yōu)運營模式。以居民用戶和企業(yè)用戶為對象，分別建立了用戶無光伏發(fā)電、光伏電力全部出售給電網(wǎng)、自發(fā)自用余電上網(wǎng)以及光儲系統(tǒng)下自發(fā)自用余電上網(wǎng)這4種運營模式下用戶的成本效益模型，分析了不同運營模式下系統(tǒng)的經(jīng)濟性。結果表明：在無儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏系統(tǒng)的裝機容量越高，用戶的凈利潤越高，并且自發(fā)自用，余電上網(wǎng)是收益最高的用電模式。在有儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，考察了6種儲能電池在分布式光伏/儲能電池系統(tǒng)中的經(jīng)濟性，發(fā)現(xiàn)對于居民用戶，采用儲能系統(tǒng)消納光伏電力的經(jīng)濟性較低；而對于企業(yè)用戶，儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性較前者有一定程度的提高。隨著儲能電池成本的降低，企業(yè)用戶配置光伏儲能電池系統(tǒng)會有較好的應用前景，其中水鈉電池的經(jīng)濟性最高。研究成果可為家庭和企業(yè)用戶光伏發(fā)電系統(tǒng)運營模式的選擇提供理論依據(jù)。

光伏發(fā)電；儲能；運營模式；經(jīng)濟性分析；家庭用戶；企業(yè)用戶

0 引 言

太陽能作為一種清潔的可再生能源，因取之不盡、用之不竭的特點使其具有其他新能源無法比擬的優(yōu)勢[1]。到2015年底，我國全年光伏發(fā)電累計并網(wǎng)裝機容量達4 318 萬kW，其中，大型光伏電站3 712 萬kW，分布式光伏電站606 萬kW，光伏年發(fā)電量約392 億kW·h。

用戶側分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電是光伏發(fā)電發(fā)展的一個重要方向，目前美、德、日等發(fā)達國家已推出規(guī)模較大的屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電計劃。2012年美國安裝在居民、企業(yè)建筑和政府部門建筑上的分布式光伏系統(tǒng)分別為5，10，18 億kW，較上一年增加了36%，累計并網(wǎng)發(fā)電的光伏系統(tǒng)已增長到74億kW。用戶側分布式光伏發(fā)電迎合了光伏能源分布廣泛的特點，既能直接為用戶負荷供電，減少用戶對市電的需求，還可通過上網(wǎng)售電，使用戶獲得經(jīng)濟效益[2]。然而與化石燃料發(fā)電相比，光伏發(fā)電具有間歇性、隨機性及波動大的特點，供電不穩(wěn)定，而儲能技術是解決光伏發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性問題的有效方法[3-4]。盡管儲能系統(tǒng)對光伏等可再生能源發(fā)電有積極的作用，但一個現(xiàn)實問題是儲能的配置增加了已經(jīng)比較昂貴的光伏發(fā)電成本，可能使得光儲系統(tǒng)在市場環(huán)境下更不經(jīng)濟。如果能找到一種成本較低、循環(huán)壽命較長的儲能電池，并且根據(jù)儲能需求合理地配置儲能容量，則相應的儲能成本也可以大幅降低。

分布式光伏儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟效益分析已經(jīng)引起了國內(nèi)外專家的關注。Marco Bortolini等構建了一個基于儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，通過經(jīng)濟性分析指出在加拿大地區(qū)，該系統(tǒng)能源供給電力的成本比電網(wǎng)電價低了近24.5%[5]。CHEN Yenhaw研究了分布式光伏、風電和儲能設備構成的智能微網(wǎng)系統(tǒng)，結果表明，在臺灣地區(qū)儲能投資費用較為昂貴，安裝儲能設備并不一定能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟性的最優(yōu)，其中最優(yōu)的儲能容量由系統(tǒng)的需求和供給決定[6]。文獻[7]以我國家用光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的應用原則構建經(jīng)濟性評價模型，指出提高上網(wǎng)電價是促進光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展最實際最有效的政策。文獻[2]研究了基于儲能系統(tǒng)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性，指出基于儲能系統(tǒng)的用戶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有長遠的經(jīng)濟優(yōu)勢。在上述文獻中，均只對用戶在某一固定運營模式下的經(jīng)濟效益進行了研究，沒有對分布式光伏系統(tǒng)在多種運營模式下的經(jīng)濟效益進行比較。文獻[8]建立了我國分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同運營模式和并網(wǎng)方案下的成本效益模型，指出在發(fā)改價格[2013]1638號文的電價補貼政策下，國內(nèi)光伏市場的啟動必將得到新的發(fā)展。然而，文獻[8]并未對儲能系統(tǒng)下光伏并網(wǎng)發(fā)電的經(jīng)濟性進行分析。

本文以居民和企業(yè)2類用戶為研究對象，基于上海市用戶銷售電價和光伏發(fā)電電價補貼政策，分析居民和企業(yè)2類光伏用戶在不同運營模式下的經(jīng)濟性。

1 經(jīng)濟性分析

本文分析4種運營模式下用戶的成本效益，其中：模式I為用戶沒有安裝光伏系統(tǒng)，直接由電網(wǎng)供電；模式II為用戶安裝了光伏系統(tǒng)，光伏電力全部出售給電網(wǎng)；模式III為自發(fā)自用，余電上網(wǎng)；模式IV為基于儲能系統(tǒng)下的自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。

1.1 模式I的經(jīng)濟效益分析

(1)

式中：Tp表示1年中的所有峰時段；Tf表示平時段；Tv表示谷時段；hp表示峰時段電價；hf表示平時段電價；hv表示谷時段電價；Pload(t)表示t時刻用戶的用電負荷，t=1,2,…,8 760。

C1表示模式I下用戶的年成本，即

(2)

B1表示模式I下用戶的年收益，則B1=0。

G1表示用戶的凈利潤，有

(3)

1.2 模式II的經(jīng)濟效益分析

(4)

CPV表示用戶安裝光伏系統(tǒng)的年投資費用，于是有

(5)

式中：Us表示光伏系統(tǒng)單位容量的投資費用；Es表示用戶安裝的光伏系統(tǒng)容量；ns表示光伏系統(tǒng)的額定壽命；r表示資金的時間價值比率(貼現(xiàn)率、投資回報率、資金成本等)。

C2表示模式II下用戶的年成本，由光伏系統(tǒng)的年投資費用和用戶的年用電費用構成，因此有

(6)

(7)

G2表示模式II下用戶的年凈利潤，于是有

(8)

1.3 模式III的經(jīng)濟效益分析

模式III中用戶安裝了光伏系統(tǒng)，采用自發(fā)自用，余電上網(wǎng)的用電模式，即光伏電力首先滿足用戶負荷，多余的光伏電力賣給電網(wǎng)，不足時則由電網(wǎng)補給。

(9)

式中：ΔP(t)=Pload(t)-Ps(t)表示t時刻用電負荷與光伏輸出功率之間的功率差額。若ΔP(t)≥0，t時刻不足，用電功率由電網(wǎng)電力補充；若ΔP(t)<0，t時刻多余，光伏電力被電網(wǎng)吸納。因此，用戶在t時刻調(diào)度電網(wǎng)的電量為max(ΔP(t), 0)。

C3表示模式III下用戶的年成本，由光伏系統(tǒng)的年投資費用和用戶的年用電費用構成，因此有

(10)

(11)

G3表示模式III下用戶每年的凈利潤，因此有

(12)

1.4 模式IV的經(jīng)濟效益分析

模式IV中用戶同時安裝了光伏和儲能系統(tǒng)，采用自發(fā)自用的模式。當光伏輸出功率與用電負荷的差額不能完全由儲能系統(tǒng)補充時，系統(tǒng)會調(diào)度電網(wǎng)電力；當光伏輸出功率不能完全由用戶和儲能吸納則賣給電網(wǎng)。安裝儲能系統(tǒng)可以增加用戶對光伏電力的自利用率，同時減少不穩(wěn)定光伏入網(wǎng)對電網(wǎng)的影響，還可以將晚上低谷電力存儲起來，在白天高峰時段給用戶供電，從而為用戶節(jié)省電力支出。

由儲能原理可知，若ΔP(t)≥0，則t時刻儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)，若ΔP(t)<0，則t時刻儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)。

Eb表示儲能系統(tǒng)的額定容量，t時刻儲能系統(tǒng)存儲的能量為

(13)

式中：Ebat(t)和Ebat(t-1)分別為儲能系統(tǒng)t時刻和t-1時刻的存儲能量；ηcha,ηdis分別為儲能的充電和放電效率；λmax和λmin表示能量存儲的上限與下限與額定容量的比值。為了防止過度充放電，保證儲能系統(tǒng)的壽命與運行安全，儲能系統(tǒng)的最大存儲能量不能超過其能量存儲的上限，最小存儲能量不能低于其能量存儲的下限。

(14)

CBAT表示儲能系統(tǒng)的年投資費用，Ub表示儲能系統(tǒng)單位容量的投資費用，nb表示儲能系統(tǒng)的額定壽命，則有

(15)

用戶的年成本包括儲能系統(tǒng)的年投資費用、光伏系統(tǒng)的年投資費用和用戶的年用電費用，于是有

(16)

(17)

G4表示用戶每年的凈利潤，于是有

(18)

本文的研究基于以下的市場規(guī)則：對電力市場需求側實行峰谷分時電價；對發(fā)電側實行固定的上網(wǎng)電價。

2 算例分析

本文分別考慮居民和企業(yè)2類用戶，在上述4種模式下的經(jīng)濟效益。表1[9-10]給出了上海市2014年某日光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率和居民和企業(yè)用戶的用電負荷，其中光伏系統(tǒng)每個時段的發(fā)電功率為對應時段的發(fā)電效率乘以光伏系統(tǒng)的裝機容量。以該日為例，只有在07：00—17：00時段內(nèi)，光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率為正值，并且在11：00—12：00達到最大。

居民用電電價采用上海的峰谷分時電價，其中峰時段為06：00—22：00，峰時段電價為hp=0.617 元/(kW·h)；谷時段為22：00—06：00，谷時段電價為hv=0.307 元/(kW·h)。工業(yè)用電電價采用上海市非夏季工業(yè)電價(電壓等級1 kV以下)，其中峰時段為08：00—11：00、18：00—21：00，峰時段電價為hp=1.252 元/(kW·h)；平時段為06：00—08：00、 11：00—18：00、21：00—22：00，平時段電價為hf=0.782 元/(kW·h)；谷時段為22：00—06：00，谷時段電價為hv=0.37 元/(kW·h)。

2013年8月，國家發(fā)展改革委出臺了《關于發(fā)揮價格杠桿作用促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，指出對分布式光伏發(fā)電項目，實行按照發(fā)電量進行電價補貼的政策，國家電價補貼標準為0.42 元/(kW·h)。根據(jù)2014年5月4日公布的《上海市可再生能源和新能源發(fā)展專項資金扶持辦法》，上海市分布式光伏的“度電補貼”金額為工、商業(yè)用戶0.25 元/(kW·h)，居民、學校用戶0.4 元/(kW·h)。于是在算例中，企業(yè)用戶和居民用戶的電價補貼分別為as= 0.67 元/(kW·h)和0.82 元/(kW·h)。

光伏電力入網(wǎng)的電價則按照上海市的脫硫燃煤機組標桿上網(wǎng)電價計算，為ag=0.39 元/(kW·h)。光伏系統(tǒng)的額定壽命為ns=20年，光伏系統(tǒng)的單位容量投資費用Us=10 000元/kW，凈現(xiàn)值r=0.07。

表1 某日光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率和用戶的用電負荷
Table 1 Generating efficiency of PV power system and users’ daily electrical load

圖1、2給出了居民和企業(yè)用戶在模式I—模式III下的凈利潤。在圖1中，居民用戶的光伏裝機容量從1 kW增加到10 kW；在圖2中，企業(yè)的光伏裝機容量從10 kW增加到100 kW。對于居民和企業(yè)用戶，模式II和模式III的凈利潤均大于模式I，并且光伏出力越大，模式II和模式III的凈利潤越大。這說明居民和企業(yè)用戶每年從光伏發(fā)電得到的補貼收益與節(jié)省的電費開銷之和大于光伏的年投資費用，居民和企業(yè)用戶均可以從光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到利潤。同樣，對于居民和企業(yè)用戶，模式III的凈利潤均大于模式II，即自發(fā)自用，余電上網(wǎng)的收益大于光伏電力全部出售給電網(wǎng)的收益，這是因為居民峰時段的用電電價以及企業(yè)峰時段和平時段的用電電價均比光伏電力的上網(wǎng)電價高。因此，居民和企業(yè)投資光伏發(fā)電的運營模式建議采用自發(fā)自用，余電上網(wǎng)，這也是政府和電網(wǎng)公司建議用戶優(yōu)先采用的光伏電力并網(wǎng)模式，一方面提高了光伏用戶用電的自主性，另一方面也減少了光伏入網(wǎng)對電網(wǎng)產(chǎn)生的擾動，可謂兩全其美。

圖1 居民用戶模式I—模式III的凈利潤比較Fig.1 Residential users’ net profit in three modes

圖2 企業(yè)用戶模式I—模式III的凈利潤比較Fig.2 Enterprise users’ net profit in three modes

為了使光伏用戶最大限度地利用光伏電力，同時也為了平滑光伏輸出以減少光伏入網(wǎng)對電網(wǎng)的擾動，配置儲能系統(tǒng)的光伏電站將成為光伏發(fā)電的主要模式。由于儲能電池具有較高的能量密度和功率密度，且便于模塊化設計和安裝，儲能電池系統(tǒng)正在成為商品化的分布式儲能系統(tǒng)。然而，儲能電池的種類繁多，性能和價格也各異。本文選用幾種較成熟的儲能電池為例，考察其在分布式光伏發(fā)電中的經(jīng)濟價值。表2[11-12]為在模式IV中采用的儲能電池性能參數(shù)。為了讓儲能電池既能存儲低谷電力又能消納白天的光伏，在下面的計算中，假定儲能電池每天在夜間低谷電價時段充電至額定容量的60%。

在模式IV中，居民用戶光伏系統(tǒng)的裝機容量固定為6 kW，儲能的額定容量分別為5，10和15 kW·h。儲能電池投資費用上限表示模式IV的凈利潤等于模式III時，儲能電池的單位容量價格。表3中給出了當模式IV的凈利潤優(yōu)于模式III時，儲能電池單位容量的投資費用上限與市場價之比。對于居民用戶來說，儲能電池的容量越大，電池單位容量的投資上限越小。當儲能容量僅為5 kW時，鋰離子和全釩液流電池的投資費用不足各自市場價格的6%，鉛酸和鉛炭電池不足各自市場價格的12%，鈉硫和水鈉電池的單位容量投資價格約為市場價格的22%和45%。因此，在目前的市場背景下，居民用戶安裝儲能消納光伏的經(jīng)濟性較低。比較這6種儲能電池的投資費用上限，水鈉電池的經(jīng)濟性相對較高。

表2 儲能電池的性能參數(shù)
Table 2 Performance parameters of storage batteries

表3 居民用戶可接納的儲能電池投資費用上限與市場價之比
Table 3 Ratio of upper limit of investment cost of storage battery that residential users can accept to market price

在模式IV中，企業(yè)用戶光伏系統(tǒng)的裝機容量固定為100 kW，儲能的額定容量分別取為50，75和 100 kW·h。表4中給出了當模式IV的凈利潤優(yōu)于模式III時，儲能電池單位容量的投資費用上限與市場價之比。相對于居民用戶，企業(yè)用戶儲能電池單位容量的投資費用上限有了一定程度的提高。其中，鋰離子和全釩液流電池的投資費用為各自市場價格的14%以上，鉛酸和鉛炭電池則為各自市場價格的17%以上，鈉硫電池為其市場價格的55%以上，水鈉電池為市場價格的115%以上。這表明，在目前的市場價格下，水鈉電池的儲能系統(tǒng)已經(jīng)可以為光伏企業(yè)用戶帶來額外的收益了。隨著儲能電池技術性價比的提升，以及電動汽車動力電池在電力儲能中的梯次利用技術的發(fā)展，電池儲能的成本將日益下降，光伏企業(yè)用戶配置電池儲能系統(tǒng)不僅僅是技術上的要求，更將帶來經(jīng)濟上的利益。

表4 企業(yè)用戶可接納的儲能電池投資費用
上限與市場價的比值
Table 4 Ratio of upper limit of investment cost of storage battery that enterprise users can accept to market price

3 結 論

(1)在當前的分布式光伏發(fā)電補貼政策下，無論是居民用戶還是企業(yè)用戶，光伏發(fā)電入網(wǎng)可以減少用電開銷，其中自發(fā)自用，余電上網(wǎng)模式下的凈利潤要高于直接發(fā)電出售給電網(wǎng)模式下的凈利潤。

(2)在當前的分布式光伏發(fā)電補貼政策下，對于居民和企業(yè)用戶，光伏系統(tǒng)的裝機容量越高，用戶的凈利潤越高。

(3)對于居民用戶，采用儲能系統(tǒng)消納光伏電力的經(jīng)濟性較低；對于企業(yè)用戶，由于工商業(yè)電價較高，采用儲能系統(tǒng)消納光伏電力的經(jīng)濟性較前者有一定程度的提高，參考當前儲能電池的市場價格，水鈉電池儲能系統(tǒng)已經(jīng)可以為光伏企業(yè)用戶帶來正的利潤。

(4)隨著儲能電池技術性價比的提升，以及電動汽車動力電池在電力儲能中的梯次利用技術的發(fā)展，企業(yè)用戶安裝儲能系統(tǒng)消納光伏會有一定的應用前景。

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(編輯 蔣毅恒)

Economic Analysis of Hybrid System Containing Distributed Photovoltaic Power and Battery Stored Energy

SUN Bo1, LIAO Qiangqiang1, LIU Yu2, LIU Yi3, ZHOU Guoding1, GE Honghua1

(1.Shanghai Power Materials Protection and New Materials Laboratory (Shanghai University of Electric Power), Shanghai 200090, China; 2. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China; 3. SAIC Motor Corporation Limited, Shanghai 201804, China)

To improve the utilization of photovoltaic (PV), it is necessary to analysis the best operation modes of PV power systems collocating with or without energy storage batteries for the residential users and enterprise users. This paper establishes the cost-benefit analysis models for residential and enterprise users in four modes respectively: there is no PV power generation; PV electricity is all sold to the grid; power generated is for its own use first and surplus PV electricity is sold to the grid with and without energy storage batteries. And then, this paper analyzes the economic performance of the system under different operation modes. The results show that the more capacity of PV power system without energy storage, the higher the users’ profit; and the mode of power generated for its own use first and surplus PV power sold to the grid without battery gets the highest profit among the four modes. This paper studies the economy of 6 kinds of energy storage batteries in distributed PV/energy storage battery system for the PV power generation system with energy storage. The results show that it is less economical that PV power systems collocating with energy storage batteries for residential users while its economy has improved for enterprise users. With the cost reduction of energy storage battery, it has better application prospect that enterprise users collocating with hybrid systems containing distributed PV power and battery stored energy, in which the aqueous Na-ion battery has the highest economy. The research results can provide theoretical basis for the residential and enterprise users’ choice of the operation modes of PV power generation system.

photovoltaic power generation; energy storage; operation modes; economic analysis; residential users; enterprise users

教育部人文社會科學研究基金項目(15YJCZH147，16YJAZH035)；上海市社科規(guī)劃一般課題基金項目(2015BGL002)；上海市科委項目(16692102200)；上海市聯(lián)盟計劃項目(LM201658)

TM 912

A

1000-7229(2016)08-0102-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.016

2016-03-25

孫波(1982)，女，博士，副教授，研究方向為電網(wǎng)需求側管理；

廖強強(1971)，男，博士，教授，研究方向為電力儲能；

劉宇(1973)，男，博士，研究員，研究方向為儲能材料與器件；

劉怡(1979)，男，碩士，工程師，研究方向為動力電池；

周國定(1938)，男，碩士，教授，研究方向為化學電源；

葛紅花(1966)，女，博士，教授，研究方向為電池儲能技術。